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KR100201968B1 - 엔진의 촉매활성화 판정장치 및 엔진 제어장치 - Google Patents

엔진의 촉매활성화 판정장치 및 엔진 제어장치 Download PDF

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KR100201968B1
KR100201968B1 KR1019970000622A KR19970000622A KR100201968B1 KR 100201968 B1 KR100201968 B1 KR 100201968B1 KR 1019970000622 A KR1019970000622 A KR 1019970000622A KR 19970000622 A KR19970000622 A KR 19970000622A KR 100201968 B1 KR100201968 B1 KR 100201968B1
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하쯔오 나가이시
다케히코 이타미
히데아키 다카하시
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하나와 요시카즈
닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

촉매의 활성화를 재촉하기 위한 2 차 공기의 공급 정지나 공연비 피드백 제어의 개시의 근거가 되는 촉매 활성화의 판정 정밀도를 높인다. 엔진의 냉각 수온을 검출하여 엔진 시동시의 수온에서 촉매 활성화 수온을 소정의 특성에 의거하여 결정한다. 즉 촉매 활성화 수온은 엔진시동시의 냉각수온이 낮을수록 낮아져 엔진 시동시의 냉각수온이 낮을수록 촉매활성화 온도와 엔진 시동시의 냉각수온과의 차가 커지도록 설정한다. 이에따라 시동시 수온과 그후의 냉각 수온의 변화에 따라 촉매의 활성화를 정밀도가 좋게 판정할 수 있다.

Description

엔진의 촉매 활성화 판정장치 및 엔진 제어장치
본 발명은 엔진의 각종 제어에 필요한 촉매의 활성화 판정 장치에 관한 것이다.
엔진의 배기점화를 위한 촉매의 활성화 수단으로서 촉매를 격납한 촉매 콘버터에 2 차 공기를 공급하는 일이 알려져 있다. 예를들면 일본국 특허청이 1989 년에 발행한 일본국 실용신안공개 소와 64-22816 호는 촉매 콘버터와 엔진의 배기 매니홀드를 연결하는 배기통로에 2 차 공기의 공급구를 설치하고 엔진의 흡기통로의 흡기의 일부를 엔진을 거치지 아니하고 직접 공급구에 공급하는 것을 개시하고 있다.
엔진의 시동직후는 촉매가 활성화되어 있지 아니하므로 배기통로에 2 차 공기를 공급하므로서 촉매 콘버터 내부의 산소농도를 증가시켜 이에따라 촉매 온도의 상승을 재촉해서 촉매의 활성화를 촉진하는 것이다.
2 차 공기의 공급은 촉매가 활성화한 시점에서 정지한다. 촉매가 활성화하였는가 어떠한가의 판단은 예를들면 엔진의 냉각수온이 소정의 온도에 달했는가 어떤가로 판정하고 있다.
또한 엔진에 공급되는 혼합기의 공연비를 피드백 제어하는 경우에 있어서도 촉매의 활성화가 중요한 요소로 된다. 그경우에 촉매의 활성화에 요하는 시간은 엔진의 시동시의 냉각수온에 따라서도 변화하므로 예를들면 일본국 특허청이 1989 년에 발행한 일본국 특개평 제 1-280651 호 및 1995 년에 발행한 일본국 특개평 제 7-71304 호는 피드백 제어의 개시시기를 엔진 시동시점의 냉각 수온에 의해 정하는 것을 제안하고 있다.
이와같이 엔진의 냉각수온을 파라미터로 하여 촉매의 활성화를 판정하는 일은 종래부터 널리 행해지고 있다.
그러나 촉매의 활성화 정도와 냉각수온은 일의적으로 대응하지 아니하므로 촉매의 활성화를 단지 냉각수온이 소정 온도에 도달했는가 어떤가 하는 것만으로도 판단해도 정확한 활성화의 판정은 할 수 없다. 또한 시동 시점의 냉각수온에 의존해서 활성화 소요 시간을 정하고 소요 시간의 경과를 갖고 활성화 완료로 판단해서는 시동후의 엔진의 운전조건등의 차이가 일체 고려되지 아니하게 된다.
따라서 어떤 케이스에 있어서도 판정된 활성화 완료와 실제의 활성화 완료 사이에 상당한 시간적 오차를 일으킬 가능성이 있다. 이 오차는 각종의 불합리한 원인으로 된다.
즉 촉매의 활성화 완료전에 2 차 공기의 공급이 정지하면 촉매의 활성화가 늦어진다. 역으로 촉매가 활성화한 후도 2 차 공기의 공급을 계속하면 과잉 산소분위기에 의해 배기중의 질소산화물(NOx)의 환원작용이 저해된다. 또한 촉매가 과열되어 촉매의 예화를 빨리한다.
또한 촉매의 활성화를 전제로 한 공연비 제어를 촉매의 활성화 전에 실행하면 배기중의 유해 성분이 증가한다. 촉매의 활성화 후에 촉매의 미활성 상태를 전제로 한 공연비 제어가 계속해서 행해지는 경우도 같다.
이와같이 2 차 공기의 공급에 관해서도 공연비 제어에 관해서도 촉매 활성화의 판정 오차는 오차의 정부에 의하지 아니하고 바람직하지 못하다.
본 발명의 목적은 따라서 엔진의 냉각수온에 의거해서 촉매의 활성화를 정확하게 판정하는 일이다.
본 발명의 다른 목적은 정확한 촉매활성화의 판정에 의해 2 차 공기의 공급 제어나 공연비 제어의 정밀도를 향상시키는 일이다.
제1도는 본 발명에 의한 2 차 공기와 공연비의 제어 장치의 개략적인 구성도.
제2도는 제어장치에 의한 2 차 공기와 공연비의 제어 프로세스를 설명하는 프로우챠트.
제3도는 제어장치에 의한 촉매 활성화의 판정 근거를 이루는 엔진 냉각 수온에 관한 참조치 Twe 의 특성을 나타내는 그래프.
제4a도 내지 제4g도는 제어장치에 의한 2 차 공기 제어와 공연비 제어의 한예를 나타내는 타이밍 챠트.
제5도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 2 차 공기 공급 장치의 요부의 개략적인 구성도.
제1도를 참조하면 차량에 탑재된 V 형 6 기통의 수냉식 엔진(1)은 각 실린더의 배기포트에 접속된 2 개의 배기매뉴홀드(2A와 2B)를 구비한다.
배기매뉴홀드(2A와 2B)에는 배기관(3A와 3B)이 접속되고 다시 이들의 배기관(3A와 3B)이 합류해서 1 개의 배기관(3)을 구성한다. 합류후의 배기관(3)의 도중에는 촉매 콘버터(4)가 설치된다.
촉매 콘버터(4)는 배기중의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)를 산화하여 질소산화물(NOx)을 환원하는 3 원촉매를 내장한다.
엔진(1)의 각 흡기포토에는 흡기매뉴홀드(5)를 거쳐서 흡기관(6)이 접속된다. 흡기관(6)은 에어크리너(8)를 거쳐서 엔진(1)에 공기를 흡입한다. 흡기관(6)의 내부에는 흡입공기량을 변화시키는 스롯틀(7)이 설치된다.
에어크리너(8)에는 촉매를 활성화하기 위한 2 차 공기의 도입구(8A)가 형성된다. 도입구(8A)는 전동식의 에어펌프(10)와 차단 밸브(19)를 직렬로 설치한 2 차 공기 통로(9)를 거쳐서 배기 매뉴홀드(2A와 2B)에 접속된다.
에어펌프(10)를 구동하는 모터의 동력선은 릴레이(11)의 접점(11A)에 접속된다. 또한 도면에서는 모터의 어스측의 배선은 생략되어 있다.
접점(11A)은 릴레이(11)의 릴레이 코일(11B)로의 통전에 의해 닫히고; 도시되지 아니한 밧테리에서 엔진(1)의 이그니션 스위치(12)를 거쳐서 공급되는 전류를 에어펌프(10)로 공급한다.
릴레이 코일(11B)은 이그니션 스위치(12)를 거쳐서 밧테리에서 접속된다. 릴레이 코일(11b)로의 통전은 이그니션 스위치(12)와 콘트롤 유니트(13)로부터의 통전 신호에 의해 개폐하는 스위치(20)에 의해 행해진다. 즉 이그니션 스위치(12)가 ON 상태에서 스위치(20)가 ON으로 절환되면 릴레이 코일(11B)로의 통전이 행해진다.
차단 밸브(19)는 다이어프램에 화성된 부압 작동실을 구비하고 부압 도입 통로(16)를 거쳐서 부압 작동실로 도입되는 부압으로 다이어후램이 변형하므로서 2 차 공기 통로(9)를 개폐한다.
부압 도입 통로(16)는 흡기 매뉴 홀드(5)에 접속된다. 부압 도입 통로(16)에는 콘트롤 유니트(13)로부터의 출력 신호에 의해 개폐하는 전자밸브(14)와 첵크 밸브(15)가 직렬로 설치된다. 체크밸브(15)는 부압 작동실로부터 흡기 매뉴홀드(5)에 향하는 공기의 흐름만을 형성하는 밸브이다. 이 흐름의 방향은 별도의 표현을 빌리면 흡기 매뉴홀드(5)의 부압을 부압 작동실로 유도하는 방향이다.
콘트롤 유니트(13)는 퍼스날 컴퓨터에 의해 구성된다. 콘트롤 유니트(13)에는 엔진을 시동시키는 시동 모터의 동작을 검출하는 시동 스위치(17), 엔진(1)의 냉각수온을 검출하는 수온센서(18) 및 배기통로(3)의 산소농도를 검출하는 O2센서(21)에서 각각 신호가 입력된다.
콘트롤 유니트(13)는 이들의 입력 신호에 의거해서 엔진(1) 시동후에촉매 콘버터(4)의 촉매가 활성화되었는가 어떤가를 판정한다. 그래서 판정결과에 의해 전자밸브(14) 및 스위치(20)로의 신호 출력에 의해 배기통로(3)로의 2 차 공기의 공급을 실행 혹은 차단한다.
콘트롤 유니트(2)는 또한 흡기 매뉴홀드(5)에 설치한 연료 분사기(23)로의 신호 출력에 의해 엔진(1)에 공급되는 혼합기의 공연비를 제어한다. 이 제어는 촉매 활성화 전의 공연비 제어와 활성화 후의 공연비 제어로 2 분된다. 촉매 활성화 전의 공연비 제어에 있어서는 시동후 증량 보정계수(KAS)나 수온 중량 보정 계수(Ktw) 등에 의한 연료의 증량이 행해진다. 이렇게 한 촉매 활성화 전의 공연비 제어는 예를들면 USP5
Figure kpo00007
529
Figure kpo00008
043에 의해 공지된다. 또한 상기 실시예에서는 촉매 활성화 전의 공연비를 이론 공연비로부터 린측으로 보존하는 린 제어를 하고 있다.
촉매활성화 후의 공연비 제어는 공연비 피이드백 제어 혹은
Figure kpo00009
콘트롤이라 불리고 O2센서(21)가 검출하는 공연비가 이론 공연비의 근처에 유지되도록 분사기(5)의 연료분사량을 제어하는 것이다. 공연비 피이드백 제어는 예를들면 USP5,327,876에 의해 공지된다.
이 제어장치는 촉매 활성화 전의 공연비 제어로서 공연비를 이론 공연비로부터 린측으로 보존하는 린 제어를 행하고 촉매의 활성화 완료 시점에서
Figure kpo00010
콘트롤로 절환한다.
다음에 콘트롤 유니트(13)가 행하는 제어에 대해서 제2도의 프로우챠트를 사용해서 설명한다. 또한, 이 프로세스는 소정 시간마다 행해도 엔진의 소정의 회전각도마다 행해도 된다.
스텝 S1에서는 수온 센서(18)가 검출한 엔진(1)의 냉각수온(Tw)을 입력한다.
스텝 S2에서는 시동기 스위치(17)에서 입력되는 신호로부터 엔진(1)이 시동 직후의 상태인가 어떤가를 판정한다. 구체적으로는 시동기 스위치(17)의 출력 신호가 ON에서 OFF로 변환 시점을 시동 식후로 본다.
시동 직후의 경우에는 스텝 S3에서 시동시의 수온 Tws에 의거해 촉매 활성화 수온(Tws)을 제3도에 도시하는 도면에서 검색한다.
또한 시동직후가 아니면 스텝 S2에서 스텝S4로 진행한다.
촉매 활성화 수온 Twe은 촉매가 활성화하였다고 판단되는 냉각수온을 의미한다. 촉매활성화 수온 Twe은 제3도에 도시하는 특성을 구비한다. 즉 촉매활성화수온 Tws이 저온일수록 낮다. 또한 촉매활성화수온 Twe과 시동시 수온 Tws과의 차 △Tw는 시동시수온 Tws이 저온일수록 크다. 촉매활성화수온 Twe은 이와같은 특성을 갖도록 미리 설정되고 도면으로서 콘트롤 유니트(13)에 격납되어 있다.
스텝 S4에서는 현재의 냉각수온 Tw을 촉매활성화수온 Twe과 비교하여 TwTwe의 경우에는 촉매가 충분히 활성화되어 있지 아니하다고 판정하고 스텝 S5 로 진행한다. Tw
Figure kpo00011
Twe의 경우에는 스텝 S7로 진행한다.
스텝 S5에서는 촉매 활성화 전의 2차 공기 공급이나 공연비의 제어를 하기 위한 다른 조건이 성립하고 있는가를 판정한다. 구체적으로는 차량이 고속주행중이 아닐 것 센서에 이상이 발견되지 아니할 것 소정의 밧테리 전압이 얻어질 것 등이 조건이다. 스텝 S5에서 어떤 것의 조건이 만족되지 아니할 경우에는 스텝 S7로 진행한다.
스텝 S7에서는 2차 공기 공급을 정지하고 공연비 제어를 촉매활성화전의 제어에서
Figure kpo00012
콘트롤로 절환한다.
한편 스텝 S5에서 다른 조건이 성립한 경우에는 2 차 공기의 공급과 촐매활성화전의 공연비 제어를 실행한다.
이와같이 해서 엔진(1)의 냉각수온 Tw이 도면에서 구한 촉매 활성화 수온 Twe에 이를때까지는 2차 공기의 공급과 촉매활성화전의 공연비 제어가 실행되고 촉매활성화수온 Twe에 달하면 2차 공급기의 공급이 정지하고 공연비 제어가
Figure kpo00013
콘트롤로 절환된다.
제4a도 내지 제4g도는 촉매활성화를 조건으로 행해지는 이 절환 전후의 시동기 스위치의 상태, 냉각수온 Tw의 변화 2차 통기의 공급상태, 연료 증량의 실시 상태, 공연비 피드백 보정계수
Figure kpo00014
의 변화, 공연비의 변화 및 배기로서 배출되는 유해물질의 량의 변화를 도시한다.
이들의 도면을 참조하면 시동기 스위치가 ON에서 OFF로 절환되면 먼저 그때의 냉각수온 Tw에서 촉매활성화 수온 Twe이 구해진다. 그래서 냉각수온 Tw이 촉매 활성화수온 Twe에 달할 때까지는 2차 공기의 공급이 행해지고 한편에서는 KAS나 Ktw에 의해 연료의 증량이 행해진다. 공연의 피드백 보정은 행해지지 아니하고 공연비 피드백 보정 계수
Figure kpo00015
는 1로 고정된다. 공연비 피드백 보정계수
Figure kpo00016
도 US5,327,876에 의해 공지된 계수이다. 또한 실시예에서는 다시 공연비를 린에 보존하는 제어가 행해진다.
따라서 냉각수온(Tw)이 촉매활성화 수온(Twe)에 달하면 2 차 공기의 공급이 정지되어 연료의 증량도 정지한다. 또한 공연비의 린제어로부터
Figure kpo00017
콘트롤로의 절환이 행해지고 이후 공연비 피드백 보정계수
Figure kpo00018
는 1을 중심으로 소정의 범위에서 진동한다.
한편 제4g도에 도시하는 바와같이 배기중의 유해 물질인 CO, HC의 산화 작용은 3 원촉매의 활성화에 의해 활성화되어 이들의 물질의 대기중으로 의 배출량을 저하시킨다. 그러나 동일한 유해물질인 NOx의 환원작용은 3 원촉매의 활성화만으로는 활발치 못하고 2차 공기의 공급 정지와 함께 활발화한다. 따라서 촉매가 활성화되었다고 판정하는 타이밍이 유해물질의 배출량의 저감에 큰 의미를 갖는다. 이 타이밍이 지나치게 빠르면 3차 공기 공급이 조기에 정지해버리므로 촉매활성화가 지연되고, 지나치게 지연되면 2차 공기가 초래하는 과잉의 산소분위기에 의해 촉매의 NOx환원 작용의 활성화가 늦어지기 때문이다.
종래예의 일본국 실용신안공개소와 64-22816호와 같이 냉각수온(Tw)이 고정된 소정의 온도에 달했는가 어떤가만으로 촉매활성화를 판단하면 시동시의 수온이 촉매활성화에 미치는 영향이 고려되지 아니한다. 또한 종래예의 일본국 특개평 1-280651호나 특개평 7-71304호와 같이 시동시 수온(Tws)에 의해 촉매 활성화 소요 시간을 정해버리면 시동후의 엔진의 운전조건이 고려되지 아니하게 된다. 그러나 본 발명과 같이 시동시의 냉각 수온(Tws)에 의거해 촉매활성화 수온(Twe)을 결정하면 종래예에 있어서는 배제되어 있던 요소도 고려되어지게 되고 종래장치와 같은 수온센서를 사용해서 보다 높은 정밀도의 촉매활성화의 판정이 행해진다.
또한 제3도에 있어서 시동시 수온(Tws)이 소정치(Two)보다 높은 경우에는 시동시 수온(Tws)은 촉매활성화 수온(Twe)보다 높아진다. 이 경우에는 시동 직후에서 촉매가 활성화되어 있다고 판정되고 2 차 공기의 공급이나 촉매활성화 전의 공연비 제어는 행해지지 아니하고 엔진의 시동후 곧바로
Figure kpo00019
콘트롤에 의한 공연비 제어가 행해진다.
제5도는 2차 공기의 공급기구에 관한 본 발명의 다른 실시예를 도시한다.
본 실시예는 4기통 엔진에 적용되는 2차 공기의 공급기구로서 에어펌프(10) 대신에 4기통 엔진의 배기 맥동을 사용해서 2차 공기를 배기통로에 공급한다. 즉 배기맥동에 의해 배기통로는 주기적으로 부압화하므로 그것의 부압에 의해 에어크리너(8)로부터 배기통로에 2차 공기가 유도되도록 한다.
그 때문에 차단 밸브(19)의 하류측의 2 차 공기 통로(9)에 스토퍼, 밸브보디 및 밸브 시트를 구비한 리드 밸브(21)를 설치하고 있다. 이 리드 밸브(21)는 배기통로의 비기가 흡기통로로 역류하는 것을 저지하는 첵크 밸브로서 기능을 한다.
이상의 각 실시예에서는 촉매 활성화의 판정에 의거해 2차 공기의 공급정지와 공연비 제어의 절환을 하는 제어 장치에 대해서 설명을 하였으나 본 발명에 의한 촉매 활성화 판정 장치는 점화시기 제어에 적용할 수도 있고 그 경우도 같은 바람직한 효과를 초래한다.

Claims (7)

  1. 배기통로에 배기를 정화하는 촉매를 설치한 수냉식 엔진과 함께 사용하는 촉매활성화의 판정장치에 있어서, 엔진의 시동을 검출하는 수단과, 엔진의 냉각수온을 검출하는 수단과, 엔진의 시동후에 냉각수온이 소정의 온도에 달한 경우에 촉매가 활성화하였다고 판정되는 수단 및, 소정 온도를, 엔진 시동시의 냉각수온이 낮을수록 낮고 또한 엔진 시동시의 냉각수온이 낮을수록 소정온도와 엔진 시동시의 냉각수온의 차가커지도록 설정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 활성화 판정 장치.
  2. 배기를 정화하는 촉매를 구비한 수냉식 엔진의 배기통로에 촉매활성화를 위한 2 차 공기를 공급하는 장치에 있어서, 엔진의 시동을 검출하는 수단과, 엔진이 냉각수온을 검출하는 수단과, 엔진의 시동후에 냉각수온이 소정의 온도에 달한 경우에 촉매가 활성화하였다고 판정하는 수단과, 소정의 온도를, 엔진 시동시의 냉각수온이 낮을수록 낮고 또한 엔진 시동시의 냉각수온이 낮을수록 소정의 온도와 엔진 시동시의 냉각수온과의 차가 커지도록 설정하는 수단 및, 촉매가 활성화하였다고 판단된 경우에 2 차 공기의 공급을 정지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 2 차 공기 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서, 엔진의 흡기통로와 배기통로의 접속에 의해 2 차 공기를 배기통로에 공급하는 2 차 공기통로와 2 차 공기 통로를 개폐하는 차단밸브를 부가로 구비하고, 정지수단은 차단밸브를 폐쇄하므로서 2 차 공기의 공급을 정지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 2 차 공기 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서, 2 차 공기 통로를 거쳐서 2 차 공기를 배기통로로 보내며, 차단밸브의 개폐에 연동해서 운전되는 에어펌프를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 2 차 공급 장치.
  5. 제3항에 있어서, 2 차 공기 통로에 흡기 통로에서 배기통로로 향하는 공기의 흐름을 허용하고 역방향의 흐름을 저지하는 리드 밸브를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 2 차 공급 장치.
  6. 배기를 정화하는 촉매를 배기 통로에 구비한 수냉식 엔진에 공급되는 혼합기의 공연비를 제어하는 장치에 있어서, 엔진의 시동을 검출하는 수단과, 엔진의 냉각수온을 검출하는 수단과, 엔진의 시동후에 냉각수온이 소정 온도에 달한 경우에 촉매가 활성화 하였다고 판단되는 수단과, 소정의 온도를, 엔진 시동시의 냉각수온이 낮을수록 낮고 또한 엔진 시동시의 냉각수온이 낮을수록 소정 온도와 엔진 시동시의 냉각 수온과의 차가 커지도록 설정하는 수단과, 혼합기의 공연비를 촉매활성 전의 적정치로 제어하는 제1제어 수단과, 혼합기의 공연비를 촉매활성 후에 적정치로 제어하는 제2제어 수단 및, 촉매가 활성화되었다고 판단되기 전에는 제1제어수단에 의해 공연비를 제어하는 한편, 촉매가 활성화하였다고 판단된 후에는 제2수단에 의해 공연비를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합기의 공연비 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2제어 수단은 혼합기의 공연비를 검출하는 수단과 공연비가 이론 공연비로 되도록 혼합기의 연료량을 증감하는 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합기의 공연비 제어 장치.
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